什麼是鉛中毒？你該擔心的不只有鉛水管……

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒，那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）　英國理論物理學家

大約在八十年前，當第一台數位計算機出現時，一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧；但七十年後，還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」（Artificial Intelligent，簡稱 AI）的能力最近十年突然起飛，在許多（所有？）領域的測試中擊敗了人類，正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元（graphic process unit，簡稱 GPU）是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia（英偉達）股票從每股不到 $5，上升到今天（5 月 24 日）每股超過 $1000（註一）的全世界第三大公司，其創辦人（之一）兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳（Jenson Huang）也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人！可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎？到底是時勢造英雄，還是英雄造時勢？

在回答這問題之前，筆者得先聲明筆者不是學電腦的，因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事，不是我們外行人需要了解的；但作為一位現在的知識分子或公民，了解基本原理則是必備的條件：例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析，即可判斷永動機是騙人的；又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上，它們不用往室外排廢熱氣，就可以提供屋內冷氣，讀者買嗎？

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」（central process unit，簡稱 CPU）。CPU 是電腦的「腦」，其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務，如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作；但為了簡單化，我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作（arithmetic and logic unit，簡稱 ALU），如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下，CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時，CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後，CPU 開始顯示心有餘而力不足：例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素（pixel），每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年，英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定／裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」（註二）定位為「世界上第一款 GPU」，「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU，GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作，快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢？因每一時刻只能做一件事，所以其步驟為：

• 計算 7×5；
• 計算 6/3；
• 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢？很多工作便可以同時（平行）進行：

• 同時計算 7×5 及 6/3；
• 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間，但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢？單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間（16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間），而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間（1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間）！

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了，如何將它擺正成右圖呢？ 一句話：「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點（座標 x, y）組成的，所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了：每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算！如果每一運算需要 10^-6 秒，那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉，便需要 6 秒，這豈是電動玩具畫面變化所能接受的？

人類的許多發明都是基於需要的關係，因此電腦硬件設計家便開始思考：這些點轉換都是獨立的，為什麼我們不讓它們同時進行（平行運算，parallel processing）呢？於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 10⁶ 運算，那上圖的轉換只需 10^-6 秒鐘！

GPU 的興起

GPU 可分成兩種：

• 整合式圖形「卡」（integrated graphics）是內建於 CPU 中的 GPU，所以不是插卡，它與 CPU 共享系統記憶體，沒有單獨的記憶體組來儲存圖形／視訊，主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上；早期英特爾（Intel）因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤，在這方面的研發佔領先的地位，約佔 68% 的市場。
• 獨立顯示卡（discrete graphics）有不與 CPU 共享的自己專用內存；由於與處理器晶片分離，它會消耗更多電量並產生大量熱量；然而，也正是因為有自己的記憶體來源和電源，它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年，英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後，科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化，在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效，因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理，不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化，也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬（註三）等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分，正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲，遠遠落在英偉達（80%）及超微半導體公司（Advance Micro Devices Inc.，19%，註四）之後，大約只有 1% 的市場。

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」，而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心（core）單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心，因此其核心功能不如 CPU 核心強大，但它們能同時高速執行大量相同的指令，在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心；GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書，不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等，也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺，它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是：嘴巴在講，腦筋思考已經不知往前跑了多少公里，常常為了追趕而越講越快，將不少學生拋到腦後！這不表示筆者聰明，因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技，因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣（matrix）的讀者應該知道，如果用矩陣和向量（vector）表達，上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的（註五）。而矩陣和向量計算正是機器學習（machine learning）演算法的基礎！也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在！因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石：它們的架構就是充分利用並行處理，來快速執行多個操作，進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」（deep learning）。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂：「下一次工業革命已經開始了：企業界和各國正與英偉達合作，將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升，幫助企業降低成本和提高能源效率，同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子：下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後，讀者是不是認為筆者該退休了？

GPU（圖形處理單元）和 AI（人工智慧）之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力，特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步，使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率，使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐，而且使其更具成本效益，因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展，GPU 的角色可能會變得更加不可或缺，推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標，這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作，使我們能夠執行複雜的任務，例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外，研究表明，與非人類動物相比，人類大腦具有更多平行通路，這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上，一邊聽音樂一邊做飯，或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技，因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵：透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

（註一）當讀者看到此篇文章時，其股票已一股換十股，現在每一股約在 $100 左右。

（註二）組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」（GeForce 256）插卡吧?

（註三）筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時，就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士（fellow）」Enrico Clementi 的團隊：因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層，我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦（非 IBM 品牌！）與一大型電腦連接來做平行運算，進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

（註四）補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商：英偉達及 ATI（Array Technology Inc.）。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立，2006 年被超微半導體公司收購，品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐（Lisa Tzwu-Fang Su）博士為執行長後，股票從每股 $4 左右，上升到今天每股超過 $160，其市值已經是英特爾的兩倍，完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色，正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題：超微半導體公司現任總裁（兼 AI 策略負責人）為出生於台北的彭明博（Victor Peng）；與黃仁勳及蘇姿豐一樣，也是小時候就隨父母親移居到美國。

（註五）或。

延伸閱讀

• 「熱力學與能源利用」，《科學月刊》，1982 年 3 月號；收集於《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版），轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
• 「網路安全技術與比特幣」，《科學月刊》，2020 年 11 月號；轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。

• 作者／照護線上編輯部
• 本文轉載自 Care Online 照護線上《這種貧血不單純，可能會致命！嚴重再生不良性貧血治療保養重點提醒，血液專科醫師圖文懶人包》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
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「那是個 20 多歲的大學生，來到急診的時候已經有嚴重的細菌感染。」成大醫院內科部血液科李欣學醫師表示，「抽血檢查發現患者的白血球、紅血球、血小板數量都嚴重偏低，後續確定診斷為嚴重再生不良性貧血。」

經過詢問，患者在就醫前已經一段時間容易頭暈，也沒特別在意，只有自行吃了一些號稱可以補血的東西，直到發生嚴重感染才就醫，狀況相當危急。李欣學醫師說，貧血的原因很多，在發現血球數量低下時，一定要至血液科就診，找出病因，並接受正確的治療。

再生不良性貧血（aplastic anemia）和一般貧血不同。再生不良性貧血是因為骨髓失去造血功能，導致紅血球、白血球、血小板數量都明顯偏低。李欣學醫師說，做骨髓檢查便會發現骨髓都空空的，原本應該存在的造血細胞已不見蹤影。

我們的血球具有不同的功能，當血球數量太少時，便會造成各種問題。缺少紅血球，患者可能出現頭暈、臉色蒼白、呼吸急促、容易疲倦等症狀；缺少白血球，患者便容易遭到感染；缺少血小板，患者的皮膚常會出現瘀青、出血點，也會有流血不止的狀況。各種血球的數量越少，相關症狀會越嚴重，甚至危及性命！

再生不良性貧血是一種罕見的血液疾病，有兩個好發的年齡層，分別是 10 至 25 歲的族群，或是 50、60 歲以上的中老年人。李欣學醫師說，再生不良性貧血可能與病毒感染、基因遺傳、免疫失調、輻射曝露、有毒化學物質有關，但是絕大多數的病患都很難找到明確的因果關係。

在台灣每年大概會出現一百多個再生不良性貧血案例，民眾對此也較不熟悉，所以容易延誤就醫。李欣學醫師說，患者來到醫院時可能已經有嚴重感染，狀況比較危急。

臨床上有許多狀況都會導致血球數量低下，民眾如果在抽血時發現血球數量異常，建議找專業的血液科醫師仔細檢查評估，以找出血球低下的原因。李欣學醫師說，「千萬不要自行服用號稱可以補血的食品或藥物，以免延誤病情！」

嚴重再生不良性貧血必須積極治療

李欣學醫師說，再生不良性貧血在診斷時，醫師會根據患者血球低下的程度還有骨髓裡面的細胞量，來區分嚴重程度並決定其治療，根據國際上的共識，針對無症狀的輕度再生不良性貧血患者，有些僅需持續追蹤觀察，或進行輸血等支持性治療。

但嚴重再生不良性貧血的患者，因為他們的白血球數量若低於 500／ul（正常值 4000 至 10000／ul），發生感染的機會相當高，血小板數量若低於 2 萬／ul（正常值 15 萬至 45 萬／ul），也會增加出血的風險，嚴重的更有可能危及性命，因此，一定要盡速積極介入治療。

在治療嚴重或非常嚴重再生不良性貧血時會考慮幾個部分。李欣學醫師說，首先要評估患者是否適合做造血幹細胞移植，假使患者較年輕且在兄弟姐妹中有適合的捐贈者，應該要儘快去做造血幹細胞移植。一般認為，造血幹細胞移植對 40 歲以下的患者來說是首選。

假使是年紀較大的患者，或是尚未找到合適的捐贈者時，則應考慮使用免疫抑制療法，利用抗胸腺細胞免疫球蛋白搭配免疫抑制劑來抑制不正常的免疫反應，可以幫助正常的造血幹細胞長回來，血球數量便能夠逐漸恢復。近年來在再生不良性貧血的一個重要進展，則是發現促血小板生成藥物，不論是單獨使用或搭配免疫抑制療法，都可以有助造血幹細胞和血球數量的恢復，對患者很有幫助。

再生不良性貧血患者在接受治療後，可能還需要經過一段時間血球數量才能逐漸回升，所以在日常生活中仍需要小心照護。李欣學醫師說，白血球低下時容易受到感染，請戴口罩、多洗手、避免出入公共場合、避免生食等。

血小板低下時容易流血不止，請避免劇烈運動、使用軟毛牙刷避免牙齦出血、飲食方面要攝取充足纖維避免便秘。請務必依照指示服藥並按時血液科門診追蹤！

筆記重點記起來

1. 再生不良性貧血是因為骨髓被自己的免疫系統攻擊而失去造血功能，導致紅血球、白血球、血小板數量都明顯偏低。
2. 再生不良性貧血患者容易出現流血不止、嚴重感染的狀況，危及性命。
3. 嚴重或非常嚴重再生不良性貧血患者需要積極接受治療，治療方式包括支持性療法、造血幹細胞移植、免疫抑制療法、促進血小板生成藥物等，可以有效恢復血球數目。
4. 再生不良性貧血患者在接受治療後，需要經過一段時間血球數量才能逐漸回升，請務必按時回診，小心照護。

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台灣最常見的貧血是缺鐵性貧血，通常與女性月經流失有關，只要適度補充鐵質便能漸漸改善。至於再生不良性貧血就比較棘手，除了缺乏紅血球，連白血球、血小板都會缺乏。

台中榮民總醫院血液腫瘤科滕傑林醫師指出，再生不良性貧血（aplastic anemia）患者骨髓中的造血細胞遭到破壞，而無法製造各種血球。再生不良性貧血的發生原因仍不太清楚，可能與病毒感染、基因遺傳、免疫失調、接觸有毒化學物質或輻射線暴露有關。

再生不良性貧血較常見於 10 歲到 25 歲的年輕人，或者是 60 歲以上的族群，男性與女性發生的機率差不多。

再生不良性貧血警訊注意！

再生不良性貧血導致紅血球、白血球、血小板的數量都明顯下降，所以會造成多種症狀。

紅血球負責輸送氧氣，缺乏紅血球讓人臉色蒼白、心跳加速、呼吸急促、體力變差、容易疲倦，長期嚴重貧血可能造成心臟衰竭。

白血球負責對抗入侵的病原，缺乏白血球就比較容易感染、發燒。除了來自外界的病原，也有自身的病原，因為人體的消化道、呼吸道、生殖道都存在許多細菌，當抵抗力低下時，便會伺機入侵。

血小板能幫助止血，缺乏血小板就容易流鼻血、牙齦流血、傷口流血不止、皮膚經常出現出血點或瘀青、月經過多，倘若出現內出血，可能危及性命。

出現明顯症狀的患者，大概都是屬於嚴重或非常嚴重的再生不良性貧血。因為各種血球都缺乏，如果後續沒有好好治療，再生不良性貧血的死亡率很高，滕傑林醫師說，「非常嚴重型再生不良性貧血患者，一年的死亡率可以高達 60% 至 70%！」懷疑再生不良性貧血時，要先排除其他的原因。如果排除可能的致病因素還無法找出貧血的原因，則要做骨髓檢查。

滕傑林醫師說，再生不良性貧血病患骨髓檢查會發現骨髓空空的，造血細胞被大量脂肪組織所取代，如果已經排除其他原因，且兩側骨髓檢查都是這樣的結果，就可以診斷為再生不良性貧血。

嚴重再生不良性貧血怎麼辦

滕傑林醫師解釋，若是屬於輕度再生不良性貧血，可以持續追蹤觀察；至於嚴重和非常嚴重的再生不良性貧血就必須積極介入治療。

如果是 40 歲以下的患者，可以考慮做兄弟姊妹之間 HLA 完全吻合的造血幹細胞移植（骨髓移植）。滕傑林醫師說，如果是 40 歲以上，或是找不到合適的造血幹細胞捐贈者，可以使用免疫療法；而接受免疫療法，平均要 3、4 個月後才知道有沒有效，在這段時間患者還是有感染、出血的風險需特別小心。

目前的免疫療法是使用抗胸腺免疫球蛋白 ATG 加上免疫抑制劑，此外近期多了促進血小板生成藥物這個選項以提升整體治療反應率。

再生不良性貧血的問題在於造血的工廠出狀況，而沒有辦法製造各種血球，所以無法單靠輸血或補充營養來改善，真正的關鍵是讓血球趕快長回來，因此一定要積極接受治療。

貼心小提醒

再生不良性貧血是個相對少見但嚴重的疾病，血液中的紅血球、白血球、血小板都會明顯缺乏，而導致臉色蒼白、心跳加速、呼吸急促、容易疲倦、出血不止、容易感染等問題。

對於 40 歲以下的病人，可以考慮兄弟姊妹之間 HLA 完全吻合的骨髓移植；對於 40 歲以上，或是沒有配對成功的病人，可使用免疫療法，或促進血小板生成藥物。在白血球低下時，患者很容易遭到感染，所以要戴口罩、勤洗手、避免生食、避開人潮，降低遭到感染的風險。

若未接受適當治療，非常嚴重型再生不良性貧血患者，一年的死亡率高達 60% 至 70%，滕傑林醫師叮嚀，若有相關症狀，應該盡快至血液科就診，並積極接受治療，改善存活率！

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